径锻温度对GH4169合金棒材组织与性能的影响_刘丰军
GH4169G合金显微组织和力学性能研究
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沈阳理工大学硕士学位论文
主元素Al、Ti和Nb的含量来控制γ′和 γ″相沉淀析出行为；还有一种是调整微量元 素种类与含量来增强其晶界结合力或改善析出相等来提高合金高温性能[11]。在 GH4169合金中，通过长期的应用和研究，发展了直接时效优质、高强合金以及改 进型等各种GH4169合金[12-13]。
GH4169G 锻造饼坯表层及边缘变形量较小，温度较低，再结晶不完全，应力 不能有效释放，形成具有魏氏体或δ相析出相对较多的混晶组织；饼坯中心是完 全再结晶后的细晶组织，并且δ相在晶界与晶内均匀析出。中间层完全再结晶晶 粒度为 ASTM7.5-11.5 级，表层不完全再结晶晶粒度为 ASTM3-6 级。
它以镍、钴、铁为基，在较大的温度范围，严酷的工作应力和条件下，保持 良好的稳定性的一类合金[2,3]。高温合金具备较高的高温强度、优异的蠕变性能和 疲劳性能、良好的组织稳定性、较高的抗氧化性和抗热腐蚀等力学性能[4-6]。
1.1 GH4169 合金简介
GH4169 高温合金旧牌号为 GH169，美国牌号为 Inconel718，是一体心立方的 γ″和面心立方的 γ′沉淀强化的镍基变形高温合金。GH4169(Inconel718)是一种含 合金元素种类多、合金化程度高的镍基变形高温合金，在 650℃以下具有强度高、 塑性好等良好的综合性能，因此该合金应用广泛，几乎占了我国高温合金用量的 一半，成为高温合金的支柱产品。在航天飞机发动机中，大约有 1500 个零件采用 了 IN718 合金，约占总重量的 51%。目前大多数先进的涡轮盘材料都采用 GH4169 合金制造[7]。现在，除了作为飞机发动机材料的用途（仍然是最主要的用途）以外， GH4169 合金已经成为原子能、低温以及要求抗环境导致开裂等场合的通用高温合 金[8]。
我国航空发动机用GH4169合金现状与发展
第八届（2011）中国钢铁年会论文集 金厂从国外引进了先进的带氦气冷却的真空自耗炉。GH4169 合金材质的提高，为进一步改进热加工工艺奠 定了基础。通过改进热加工工艺，使 GH4169 合金的开坯火次从 8 火缩减到现在的 3 火，开坯后棒材的晶粒 度从 4～5 级细化为 5～6 级。在缩短开坯时间的同时改善了棒材的组织和性能，提高了生产效率。同时，针 对φ100～150mm 的棒材在锤锻过程中组织很难控制的特点，冶金厂对 GH4169 合金的精锻工艺进行了初步 研究，为今后深入开展 GH4169 合金的精锻加工工艺奠定了基础。
1 引言
GH4169 合金是仿美 Inconel 718 合金。Inconel 718 合金是由美国国际镍公司（Inco Alloys International） 亨廷顿分公司（Huntington）的 H.L.Eiselstein 研制成功，并于 1959 年公开的一种以体心四方 Ni3Nb（γ〞） 和面心立方 Ni3（Al,Ti,Nb）(γ′)析出强化的镍基变形高温合金。合金在-253～650℃之间具有高的抗拉强 度、屈服强度、持久强度和塑性，同时具有良好的抗腐蚀、抗辐照、热加工及焊接性能，因而成为航空、航 天及核能、石化领域大量应用的关键材料。其中该合金在航空发动机中的应用最典型，用量也最大。鉴于此， 本文将对 GH4169 合金在航空发动机中的应用现状和发展趋势作一简述，供大家参考。
2 应用现状
我国于 1968 年开始仿制 Inconel 718 合金，自 20 世纪 80 年代以来，结合航空发动机涡轮盘的研制，国 内对 GH4169 合金开展了大量的研究工作，特别是结合我国的国情和生产装备状况，有特色与创造性地研究 和掌握了有关工序的工艺，使国内生产的 GH4169 合金质量不断提高，满足了我国航空发动机对 GH4169 合 金的需要。
浅谈GH4169合金盘形件锻造粗晶的质量控制
浅谈GH4169合金盘形件锻造粗晶的质量控制[摘要]本文通过对GH4169合金盘形件锻造生产中，从加热到锻造过程质量控制的探讨，提出了对盘形件锻件粗晶的有效预防和控制方法。
为预防GH4169合金锻件的生产过程中的粗晶，提供了有益的参考。
[关键词]GH4169合金锻造质量控制强大的国防是一个民族、一个国家生存和发展的有力保障，是一个国家取得国际地位的强大后盾。
人们从二战、朝战、两伊战争和阿富汗战争中看到了空军在战斗中的作用，认识到夺取制空权的重要性。
因此世界各国争先恐后研制新型战机，以不断适应现代战争的需要。
航空材料作为材料科学中富有开拓性的一个独立分支，作为航空工业现代化物质基础的材料，也是影响航空工业发展速度的决定因素之一。
这些新材料，以期具有许多特殊性能和优越的性价比，而首先应用于飞机的发动机重要零部件上，如制作燃汽涡轮发动机的涡轮叶片，涡轮盘、承力环等零件。
由于该类零部件，不仅要求具有很高的高温性能和良好的疲劳性能，而且要求具有抗氧化、抗腐蚀性能和一定的塑性。
变形高温合金可分为铁基、镍基和钴基合金三类。
在生产中应用较多的是铁基和镍基两类。
GH4169合金就属于镍基合金。
由于合金在650℃以下具有良好的综合机械性能，其比强度（σ/P）比目前广泛应用的GH4133合金提高了36左右（GH4133为129，DAGH4169为176）。
两种材料的高温、高转试验证明，GH4169的残余变形比GH4133要小许多。
因此，更具有高的安全系数和使用寿命。
一、盘形件的结构和材料的锻造特性公司从90年代开始参与GH4169的科研生产工作，在科研生产过程中，主要采用的是上五钢厂和国外提供的原材料，经630KJ对击锤模锻成型后，经时效热处理后，以时效状态交付用户。
GH4169合金的锻造特点：1.塑性低，变形抗力大。
由于GH4169合金的合金化程度较高，具有组织的多相性，而且其他相成分复杂。
因此工艺塑性较低，特别是在高温下，合金中硫、铅、锡等杂质元素削弱了晶粒的结合力，从而使塑性偏低，另外由于合金再结晶温度高，再结晶速度慢，因此在变形温度下具有较高的变形抗力。
GH4169合金锻件的混晶组织
GH4169合金锻件的混晶组织
刘东;罗子健
【期刊名称】《热加工工艺》
【年(卷),期】2004()9
【摘要】用光学金相和 X射线衍射分析方法对 GH4 16 9合金锻件产生混晶组织的原因进行了分析。
结果表明 ,试验所用 GH4 16 9合金锻件出现混晶组织 ,是由于终锻温度过低 ,每次变形程度又较小 ,因而动态再结晶不能充分进行引起的。
上述原因形成的混晶组织可通过适当的再结晶热处理消除 ,再结晶处理温度以略低于【总页数】3页(P3-5)
【关键词】GH4169合金;混晶组织;锻件;再结晶热处理
【作者】刘东;罗子健
【作者单位】西北工业大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.1;TG319
【相关文献】
1.GH4169合金细晶棒材的连轧工艺及其组织与性能 [J], 陈国胜;王庆增;张玩良;李伟;王资兴;刘丰军;王世普
2.GH4169合金锤锻成型的晶锻件的研究 [J], 周奠华;金鑫
3.GH4169合金锻造混晶组织的均匀细化机制与工艺 [J], 王冠强;陈明松;蔺永诚;马艳永
4.固溶热处理工艺对GH4169高温合金锻件组织和力学性能的影响 [J], 魏丽;李晓婷;顾超;刘骥;杨恩超;封嗣虎
5.GH4169合金涡轮盘锻件粗晶质量分析和控制 [J], 周晓虎
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GH4169合金中δ相析出及其对冲击性能影响研究
GH4169合金中δ相析出及其对冲击性能影响研究代朋超;王资兴;马天军【摘要】采用热力计算手段,研究了Nb、Ti两个元素对GH4169合金中δ相析出的影响.结果表明,随着Nb含量增加,δ相全溶温度提高,析出量增加;而Ti元素影响作用与Nb元素正好相反.试验研究了不同固溶温度对于合金冲击性能影响,结果表明,固溶温度越高,合金冲击性能越好.这些试验数据的积累为GH4169合金强韧性实现提供指导.【期刊名称】《宝钢技术》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】5页(P41-44,49)【关键词】GH4169合金;δ相;冲击性能【作者】代朋超;王资兴;马天军【作者单位】宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海201900;宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海201900;宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海201900【正文语种】中文【中图分类】TG113.253GH4169合金是一种时效强化型镍基变形高温合金,通过加入Nb、Ti、Al等合金化元素,在基体中析出体心四方结构的γ″(Ni3NbTi)和面心立方结构的γ′(Ni3AlTi)两种相进行二次强化[1-2]。
该合金以其良好的高温强度、抗疲劳蠕变性能、优异的热成型性和焊接性能,广泛应用于航空航天发动机、电站能源领域重型燃机、核电及油气开采等领域[3]。
由于使用工况不同,不同领域用GH4169合金的性能要求有所不同(见表1)[4]。
其中,航天用GH4169合金不仅要求低温强度、高温强度,还要求冲击韧性。
众所周知,强度和韧性是一对相矛盾的性能指标,因此,要同时保证强度和韧性性能,对合金组织控制提出了更高的要求。
表1 不同领域用GH4169棒材主要力学性能要求Table 1 Mechanical property requirements for GH4169 bar used in different areas应用领域低温性能室温性能高温性能冲击性能航空√√航天√√√√油气√√相关研究结果表明[5-6],δ相含量、形貌和分布对于合金强韧性有重要影响。
GH99合金锻棒的研制
GH99合金锻棒的研制刘建强;谢伟;王世普;刘丰军【摘要】介绍了宝山钢铁股份有限公司特钢事业部首次生产GH99合金锻棒的研究工作.通过热力学相图计算制定了2000t快锻机生产GH99合金棒材的终锻温度以及相应的钢锭加热温度,研究了不同加热温度和终锻温度对GH99合金φ250快锻棒材组织和性能的影响.结果表明,锻棒横低倍组织无缺陷,但是,加热温度和终锻温度过低时,棒材表面会因变形温度低于动态再结晶温度而残留部分原始拉长晶粒.加热温度和终锻温度过高时,因原始晶粒在加热过程中过分长大,边缘处在变形过程中残留部分大的原始拉长晶粒.在合适的加热温度和终锻温度下,棒材的心部、R/2处和表面均获得了均匀且较细小的晶粒组织,在此条件下,合金具有良好的室温、高温综合性能.【期刊名称】《宝钢技术》【年(卷),期】2011(000)004【总页数】5页(P44-48)【关键词】GH99合金;加热温度;终锻温度;组织与性能【作者】刘建强;谢伟;王世普;刘丰军【作者单位】宝山钢铁股份有限公司特钢事业部,上海200940;宝山钢铁股份有限公司特钢事业部,上海200940;宝山钢铁股份有限公司特钢事业部,上海200940;宝山钢铁股份有限公司特钢事业部,上海200940【正文语种】中文【中图分类】TG319GH99合金是一种时效强化型镍基变形高温合金。
它以Ni、Cr为基，以W、Mo、Co进行固溶强化，以Al、Ti进行时效强化，以B、Ce、Mg进行晶界强化［1］。
该合金板材主要用于使用温度不超过1 000℃的航空发动机的燃烧室、挡板、加强筋和飞行器固定件等零部件［2］，苛刻的使用条件要求合金具有较高的热强性，良好的塑性［3］。
目前，关于该合金板材的资料较多，但有关GH99合金棒材的介绍非常少。
宝钢特钢事业部首次生产GH99合金锻棒，用于生产航空发动机的环形件。
本文采用热力学相图计算预测并制定了2 000 t快锻机生产GH99合金棒材的变形温度以及相应的钢锭加热温度，并对该合金的组织和性能进行了试验研究;探讨了加热温度和终锻温度对该合金组织和性能的影响，为制定合理的锻造工艺提供了技术依据。
加热温度与保温时间对GH4169合金晶粒度的影响规律研究
HEAVY CASTINGANDFORGING May2021 f材料与热处理X加热温度与保温时间对GH4169合金晶粒度的影响规律研究聂义宏2白亚冠33李红梅2张鑫2寇金凤2郭伟2（1.中国第一重型机械股份公司，黑龙江161042；2.天津重型装备工程研究有限公司，天津300457；3.黑龙江省高端核电装备智能制造重点试验室,黑龙江161042）摘要:采用光学显微镜和扫描电镜观察分析GH4169合金析出相和晶粒尺寸,研究不同加热温度和保温时间对GH4169合金晶粒度的影响规律及析出8相的相关作用，为锻造和热处理工艺提供依据。
关键词:GH4169合金；晶粒长大；8相中图分类号:TG156文献标志码:BEffect of Heating Temperature and Holding Time on Grain Size of GH4169Alloy Nie Yihong,Bai Yaguan,Li Hongmei,Zhang Xin,Kou Jinfeng,Guo WeiAbstract:The precipitation phase and grain size of GH4169alloy have been observed and analyzed by optical microscope and scanning electron microscope.The influence of dCferent heating temperature and holding time on the grain size of GH4169alloy and the correlation efect of precipitated8phase have been studied,which can provide the basis for forging and heat treatment process.Key wordt:GH4169alloy；grain growth；8phaseGH4169合金是一种以Ni-Fe基奥氏体为基体、以Y F Y相为主要强化相的沉淀强化型合金,具有优异的综合力学性能和加工性能,因此在航空航天、海洋、模具等领域均有应用，为目前应用最广泛的高温合金,其产量约可占到高温合金产量的一半3］。
GH4169合金中影响γ″相析出的因素分析
镍基 高温 合 金 Ｇ Ｈ ４ １ ６ ９自上个 世 纪 ５ ０年 代 研 发 出来 之 后 ， 已经 成 为 目前 世 界 上应 用 最 广 泛 的高 温合 金之 一 。对 于 Ｇ Ｈ ４ １ ６ ９合金 的研 究一 直是 学 术
领域的焦点 ， 国际上每三到 四年 即会 召开一次专题 国际会议 ， 我 国也 在先 进 高 温 合 金 国 际研 讨 会 上 针
Ｂ ｒ ｏ ｏ ｋ ｓ 的实验基 础上 绘 制 了 ７ ” 相、 ７ 相 以 及 相 的
体， 并含有少量未溶解颗粒状 Ｎ ｂ （ Ｎ ） ｃ 。 采用 差热 分析 法 （ Ｄ Ｔ Ａ） 分别 对 Ｇ Ｈ ４ １ ６ ９合金 在
不 同固溶温 度 ， 不 同等 温 时 间 和不 同冷 却 速 度 下 的 析出相 析 出行 为进 行 了 分 析 。具 体 试 验 包 括 以下
中图分类号 ： Ｔ Ｇ １ ４ ６ ． １ ５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ —７ ９ ３ ８ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ５ —０ ０ １ ０—０ ４
０ 引 言
Ｇ Ｈ ４ １ ６ ９合金 的强 化 相 ， 尤 其是 相 对 合 金 的强 度 起 主要 作用 ， 所 以对 于其析 出顺 序 、 起 始温 度 以及 影 响 因素 的研 究具 有非 常重要 的现实 意义 。 本 文 的 目 的 就 是 通 过 不 同 的 热 分 析 实 验
１ 试 验材 料和 方法
小， 难于观察和表征 ， 因此对于该合金的研究仍然存
在很 多 争议之 处 。通 常认 为 Ｇ Ｈ ４ １ ６ ９合金 中的析 出
相 包括 相 、 ７ 相、 相 以及 少 量 的 Ｎ ｂ （ Ｎ） Ｃ颗 粒 。
试 验所 用 ＧＨ ４ １ ６ ９合金来 自宝钢集 团特 种 钢材 有 限公 司 ， 其 化 学 成分 见 表 １ 所 示 。将 试 样 加 工成 １ ０ ｍｍ×１ ０ ｍｍ ×１ ０ ｍｍ 的正 方 体 进行 预 处 理 ， 即在 １ ０ ５ ０ ￣ Ｃ固溶 １ ｈ ， 随后 空冷 到 室 温 ， 此 步 骤 消 除 了原 始轧制态大部分 的残余应力。预处理后组织为奥氏
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宝
钢
技
术
2011 年第 4 期
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前言
锻温度进行了试验研究。探讨了径锻加热温度和终 锻温度对该合金晶粒组织、 δ 相形态及力学性能的 影响， 为制定合理的径锻工艺提供了技术依据。
Effect of radial forging temperature on microstructure and mechanical properties of Gຫໍສະໝຸດ 4169 superalloy bar
LIU Fengjun，CHEN Guosheng，WANG Qingzeng，WANG Zixing and DING Yan （ Special Steel Business Unit，Baoshan Iron ＆ Steel Co． ，Ltd． ，Shanghai 200940 ，China） Abstract： The effect of heating temperature and final forging temperature on microstructure and mechanical properties of GH4169 superalloy bar has been investigated in this paper． The results show that when the heating temperature and final forging temperature are too low ，though the grain size in the center is finer than that of ASTM 11 ，incompletely recrystallized grains at surface or even at midradius are retained because the deformation temperature is lower than the dynamic recrystallization temperature． At this time，overmuch δ phase precipitates． This will be adverse to the alloy’ s mechanical properties． When the heating temperature and the radial forging temperature are too high，the original grains will overgrow and part of initial elongated grains will not be fully recrystallized，but stay． At the same time， the δ phase will be reduced and the alloy ’s comprehensive performance will also be reduced in the deformation process． Forged at a proper heating temperature and a final forging temperature，the grain size in the center of the bar is ASTM 10 ，and a completely recrystallized grain structure can reach ASTM 11 near the surface． The precipitation of δ phase in different positions of the bar varied slightly，granular or rodlike δ phase can be uniformly distributed at grain boundaries． At this time，the GH4169 alloy bars provide good mechanical properties at low and high temperatures． Key words： GH4169 alloy； heating temperature； final forging temperature； microstructure and mechanical properties
刘丰军等
径锻温度对 GH4169 合金棒材组织与性能的影响
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2． 2
终锻温度对 δ 相的影响
终锻温度对 δ 相析出形态起着决定性的作用。 5 分别给出了不同径锻终锻温度条件下锻制 图 4、 的棒材心部、 边缘的典型 δ 相形貌特征。可以看 当终锻温度为 t2 － 22℃ 时， δ 相不仅在晶界析 出， 出， 在晶内也大量析出， 交叉分布， 形成魏氏体状组
工艺参 数 方 面 资 料 却 少 见 报 道。 在 国 内， 文献 ［ 5］ GH4169 首次报道了采用径锻技术锻出了 合 金细晶棒材， 但有关径锻加热温度和终锻温度方 面的研究未做深入探讨。 本文对 GH4169 合金径锻棒材的加热温度和终 表1
Table 1
wC 0． 028 wP 0． 003 w Cr 18． 94 w Si 0． 03 w Mo 3． 03 w Mn 0． 03 w Nb 5． 06 w Cu 0． 02 w Al 0． 47 w Co 0． 02
图1
Fig． 1
棒材各部位再结晶晶粒平均直径与 径锻加热温度的关系
Relationship between radial forging heating
temperature and completely recrystallized average grain diameter at different sections of a bar
试验用 GH4169 的化学成分
% wN 0． 007 7 w Ag 0． 000 5 w Ta 0． 01 w Fe 余量 wS 0． 002 w Ti 1． 02 w As 0． 004 w Ni 51． 31 w Pb 0． 001 wB 0． 005 w Bi 0． 000 1 wH 0． 000 1 w Mg 0． 004 wO 0． 000 7 w Ca 0． 007
2011 年第 4 期
宝
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技
术
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径锻温度对 GH4169 合金棒材组织与性能的影响
刘丰军， 陈国胜， 王庆增， 王资兴， 丁 燕 （ 宝山钢铁股份有限公司特钢事业部 ， 上海 200940 ） 摘要： 研究了不同加热温度、 终锻温度对 GH4169 合金 130 mm 径锻棒材组织和性能的 加热温度和终锻温度过低时， 棒材心部虽然获得了细于 ASTM 11 级的晶粒， 影响。结果表明， 但表面甚至 R /2 处会因变形温度低于动态再结晶温度而残留部分原始拉长晶粒 ； 同时 δ 相大 量析出， 不利于合金的综合性能。加热温度和终锻温度过高时， 因原始晶粒在加热过程中过分 长大， 在变形过程中难以全部完成动态再结晶而残留部分原始拉长晶粒 ； 同时 δ 相显著减少， 合金的高温综合性能显著下降。在合适的加热温度和终锻温度下， 棒材心部获得了均匀的 10 级晶粒， 同时边缘获得了完全再结晶的 11 级晶粒， 各部位 δ 相差异较小且基本呈颗粒状和短 棒状在晶界均匀弥散分布， 合金具有良好的低温、 高温综合性能。 关键词： GH4169 合金； 加热温度； 终锻温度； 组织与性能 中图分类号： TG113 文献标志码： B 文章编号： 1008 － 0716 （ 2011 ） 04 － 0027 － 05 doi： 10． 3969 / j． issn． 1008 － 0716． 2011． 04． 007
织（ 如图 4（ a） 、 图 5 （ a） ） 。在适当的终锻温度 t2 成 材时， 棒材各部位的 δ 相差异较小且基本呈颗粒状 和短棒状在晶界均匀弥散分布。随着终锻温度的 升高， δ 相逐渐减少， 当终锻温度为 t2 + 29℃ 时， 过 只有少量的 δ 相 高的终锻温度抑制了 δ 相的析出， 5 （ c） ） 。 在晶界边缘析出（ 如图 4（ c） 、
径锻机是从 20 世纪 40 年代开始在欧洲快速 发展和应用的最先进的自由锻设备 。由于该设备 具有生产效率高、 能耗低、 锻制产品尺寸精度高、 成品表面质量好等特点， 而被欧美一些知名的特 种合金生产企业用于生产高合金钢 、 高温合金、 钛 ［1 － 2 ］ 。 合金等 GH4169 合金的组织和性能对热加工工艺特 别敏感， 为了获得最佳的显微组织和优良的力学 性能， 必须对其热加工工艺参数， 尤其是锻造加热 温度和终锻温度进行系统研究。国外许多知名企
Chemical compositions of experimental GH4169 alloy
2
2． 1
试验结果
加热温度对晶粒度的影响 坯料的加热温度对 GH4169 合金径锻棒材的 再结 晶晶粒尺寸有着显著的影响 。 图1 给出了棒
材各部位再结晶晶粒平均直径与径锻加热温度的 关系曲线。可以看出， 随着径锻加热温度的升高， 棒材各部位的再结晶晶粒尺寸呈明显的粗化趋势， 且这种变化趋势棒材心部较 R /2 及边缘明显。 在不同加热温度下加热的坯料所锻制的棒材 3 分别给出了不同加 各部位的晶粒特征不同， 图 2、 热温度条件下锻制棒材心部、 边缘的典型晶粒组织 在较低的加热温度 t1 － 20℃ 加热 照片。可以看出， 时， 棒材心部虽然获得了细于 11 级的晶粒（ 如图 2 （ a） ） ， 但表面甚至 R /2 处残留了部分原始拉长晶 （ 粒 如图 3（ a） ） ， 且温度越低， 这种残留拉长晶粒越 表面原始拉长晶粒逐渐 多。随着加热温度的升高， 减少， 当温度升至 t1 时， 不仅棒材心部获得了 10 级 晶粒（ 如图 2（ b ） ） ， 而且边缘也获得了完全再结晶 的 11 级晶粒 （ 如图 3 （ b ） ） 。 此时， 如温度继续升 高， 再结晶晶粒将会粗化， 棒材中还可能残留部分 被拉长的大晶粒， 且由中心至边缘， 这种残留原始 3 （ c） ） 。 晶粒越来越多（ 如图 2（ c） 、